Страница 143 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

9. Сколько граммов твёрдого гидроксида натрия потребуется для полной нейтрализации 200 г 9,8%-го раствора серной кислоты?

Дано:

$m_{\text{р-ра}}(H_2SO_4) = 200 \text{ г}$

$\omega(H_2SO_4) = 9,8\% = 0,098$

Найти:

$m(NaOH) - ?$

Решение:

1. Первым шагом составим уравнение химической реакции нейтрализации серной кислоты ($H_2SO_4$) гидроксидом натрия ($NaOH$). В результате реакции образуются сульфат натрия ($Na_2SO_4$) и вода ($H_2O$).

$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Из сбалансированного уравнения следует, что на 1 моль серной кислоты расходуется 2 моль гидроксида натрия.

2. Рассчитаем массу чистой серной кислоты, содержащейся в 200 г ее 9,8%-го раствора. Для этого используем формулу массовой доли вещества в растворе:

$m(H_2SO_4) = m_{\text{р-ра}}(H_2SO_4) \times \omega(H_2SO_4)$

$m(H_2SO_4) = 200 \text{ г} \times 0,098 = 19,6 \text{ г}$

3. Вычислим молярные массы ($M$) серной кислоты и гидроксида натрия, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы (H ≈ 1, O ≈ 16, Na ≈ 23, S ≈ 32).

$M(H_2SO_4) = 2 \times 1 + 32 + 4 \times 16 = 98 \text{ г/моль}$

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число молей, $n$) серной кислоты, вступившей в реакцию:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{19,6 \text{ г}}{98 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции определим количество вещества гидроксида натрия, необходимое для полной нейтрализации. Согласно стехиометрическим коэффициентам, количество вещества $NaOH$ в два раза больше количества вещества $H_2SO_4$.

$\frac{n(H_2SO_4)}{1} = \frac{n(NaOH)}{2}$

$n(NaOH) = 2 \times n(H_2SO_4) = 2 \times 0,2 \text{ моль} = 0,4 \text{ моль}$

6. Наконец, рассчитаем массу твердого гидроксида натрия, которая соответствует найденному количеству вещества:

$m(NaOH) = n(NaOH) \times M(NaOH) = 0,4 \text{ моль} \times 40 \text{ г/моль} = 16 \text{ г}$

Ответ: для полной нейтрализации 200 г 9,8%-го раствора серной кислоты потребуется 16 г твёрдого гидроксида натрия.

10. Определите массовую долю меди в медно-цинковом сплаве, если известно, что 1 г сплава реагирует с разбавленной серной кислотой с выделением 112 мл газа (н. у.).

Дано:

$m_{сплава} = 1 \text{ г}$

$V_{газа} = 112 \text{ мл}$

$V_{газа} = 112 \text{ мл} = 0.112 \text{ л}$

Найти:

$\omega(Cu) - ?$

Решение:

Медно-цинковый сплав состоит из меди (Cu) и цинка (Zn). При реакции с разбавленной серной кислотой ($H_2SO_4$) только цинк будет вступать в реакцию, так как медь стоит в электрохимическом ряду напряжений металлов правее водорода и не вытесняет его из кислот.

Уравнение реакции цинка с разбавленной серной кислотой:

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$

Выделившийся газ — это водород ($H_2$).

1. Найдем количество вещества (число моль) выделившегося водорода. Так как объем дан при нормальных условиях (н. у.), используем молярный объем газов $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{0.112 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.005 \text{ моль}$

2. По уравнению реакции, количество вещества прореагировавшего цинка равно количеству вещества выделившегося водорода:

$n(Zn) = n(H_2) = 0.005 \text{ моль}$

3. Вычислим массу цинка в сплаве, зная его молярную массу ($M(Zn) \approx 65 \text{ г/моль}$).

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) = 0.005 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 0.325 \text{ г}$

4. Масса сплава равна сумме масс меди и цинка. Найдем массу меди.

$m(Cu) = m_{сплава} - m(Zn) = 1 \text{ г} - 0.325 \text{ г} = 0.675 \text{ г}$

5. Определим массовую долю меди в сплаве по формуле:

$\omega(Cu) = \frac{m(Cu)}{m_{сплава}} \cdot 100\%$

$\omega(Cu) = \frac{0.675 \text{ г}}{1 \text{ г}} \cdot 100\% = 67.5\%$

Ответ: массовая доля меди в сплаве составляет 67.5%.

11.Под действием концентрированной серной кислоты сахароза $C_{12}H_{22}O_{11}$ превращается в чёрную массу, из которой затем начинают выделяться газы. Объясните эти процессы и напишите уравнения реакций.

Решение

Процесс взаимодействия концентрированной серной кислоты с сахарозой ($C_{12}H_{22}O_{11}$) можно объяснить двумя последовательными стадиями.

1. Дегидратация сахарозы

Концентрированная серная кислота является очень сильным водоотнимающим (дегидратирующим) средством. При контакте с сахарозой она отщепляет от её молекул воду. В молекуле сахарозы на каждые 12 атомов углерода приходится 22 атома водорода и 11 атомов кислорода, что соответствует 11 молекулам воды ($11 \times H_2O$). В результате этого процесса образуется мелкодисперсный углерод (аморфный уголь), который имеет чёрный цвет, и вода. Реакция является сильно экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества тепла. Это тепло заставляет образовавшуюся воду испаряться, что приводит к "вспуханию" чёрной углеродной массы.

Уравнение реакции дегидратации:

$C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{H_2SO_4 (конц.)} 12C + 11H_2O$

2. Окисление углерода серной кислотой

Образовавшийся на первой стадии углерод сильно разогрет из-за экзотермического характера реакции. Концентрированная серная кислота, помимо дегидратирующих свойств, является также сильным окислителем, особенно при нагревании. Горячий углерод начинает реагировать с избытком концентрированной серной кислоты. В этой окислительно-восстановительной реакции углерод окисляется до углекислого газа ($CO_2$), а серная кислота ($H_2SO_4$) восстанавливается до сернистого газа ($SO_2$). Именно выделение этих двух газов и вызывает наблюдаемое бурное вспенивание и рост "чёрной змеи" из стакана.

Уравнение реакции окисления углерода:

$C + 2H_2SO_4 (конц.) \xrightarrow{t} CO_2 \uparrow + 2SO_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ: Описанное явление протекает в два этапа. Сначала концентрированная серная кислота отнимает воду у сахарозы, превращая её в чёрную массу угля: $C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{H_2SO_4 (конц.)} 12C + 11H_2O$. Затем, из-за высокой температуры реакции, горячий уголь окисляется концентрированной серной кислотой, что приводит к выделению газов (углекислого и сернистого), которые вспенивают массу: $C + 2H_2SO_4 (конц.) \xrightarrow{t} CO_2 \uparrow + 2SO_2 \uparrow + 2H_2O$.

12. Концентрированная серная кислота используется для осушения газов. Какие из перечисленных ниже газов: воздух, водород, аммиак, углекислый газ, сероводород — можно осушать с помощью $H_2SO_4$?

Решение

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) является сильным осушителем благодаря своей способности активно поглощать воду. Однако, для осушения какого-либо газа, осушитель не должен вступать с ним в химическую реакцию. Проанализируем каждый из предложенных газов на предмет возможности реакции с концентрированной $H_2SO_4$.

Воздух

Воздух является смесью газов, основными компонентами которой являются азот ($N_2$) и кислород ($O_2$). Эти газы химически инертны по отношению к концентрированной серной кислоте при обычных условиях. Следовательно, воздух можно осушать с помощью $H_2SO_4$.

Водород

Водород ($H_2$) — газ, который не проявляет ни кислотных, ни основных свойств и при комнатной температуре не реагирует с концентрированной серной кислотой. Поэтому осушение водорода с помощью $H_2SO_4$ возможно.

Аммиак

Аммиак ($NH_3$) обладает ярко выраженными основными свойствами. Он будет реагировать с серной кислотой, которая является сильной кислотой, вступая в реакцию нейтрализации с образованием соли — сульфата аммония:

$2NH_3 + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4$

Из-за этой реакции аммиак нельзя осушать концентрированной серной кислотой.

Углекислый газ

Углекислый газ ($CO_2$) является кислотным оксидом. Кислотные оксиды не реагируют с кислотами. Поэтому углекислый газ можно осушать с помощью концентрированной серной кислоты.

Сероводород

Сероводород ($H_2S$) является сильным восстановителем. Концентрированная серная кислота, в свою очередь, является сильным окислителем. Между ними протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой сера в сероводороде (степень окисления -2) окисляется, а сера в серной кислоте (степень окисления +6) восстанавливается. Пример уравнения реакции:

$H_2S + H_2SO_4(\text{конц.}) \rightarrow S \downarrow + SO_2 \uparrow + 2H_2O$

Так как происходит химическое взаимодействие, сероводород нельзя осушать концентрированной серной кислотой.

Ответ: С помощью концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) можно осушать воздух, водород и углекислый газ.